Automatisierte Fingerabdruck-Identifikationssysteme (AFIS): Funktionsweise, Module und Anwendungen

Automatisiertes Fingerabdruck-Identifikationssystem – Module & Anwendungen

Einführung in Fingerabdruck-Identifikationssysteme

Fingerabdruck-Identifikationssysteme oder Daktyloskopie sind einzigartige Verfahren zur Identifizierung durch Vergleich von Fingerabdruckabdrücken von Personen. Sie nutzen die Tatsache, dass keine zwei Individuen ähnliche Fingermuster haben. Es ist eine der am weitesten verbreiteten Techniken zur Erfassung von Personendaten und eine einfache und bequeme Methode, eine Person zu identifizieren.

Abbildung 1: Fingerabdrucktypen

Jede menschliche Fingerhaut hat ein Muster aus dunklen Linien (Papillarleisten) sowie weißen Linien (Täler) dazwischen. Punkte, an denen sich die Struktur der Leiste ändert, werden als Minutien bezeichnet. Jeder menschliche Finger hat ein anderes Leistenmuster. Diese Muster können Bögen (Leisten treten auf derselben Seite ein und aus), Schleifen (Leisten treten auf einer Seite ein und auf der anderen aus) und Wirbel (Kreise oder Mischungen verschiedener Muster) sein.

Fingerabdrücke können mit zwei Methoden erfasst werden – chemisch und automatisiert

Bei der chemischen Methode wird eine Oberfläche mit verschiedenen Chemikalien wie Cyanoacrylat, Ninhydrin, Magnetpulver etc. besprüht, und die Fingerabdruckmuster können dann mit durchsichtigem Klebeband abgehoben werden. Bei der automatisierten Methode werden die Fingerabdruckbilder durch verschiedene Sensoren erfasst wie kapazitive Sensoren (ermitteln Pixelwerte basierend auf der Kapazität der Papillarleisten), optische Scanner (nutzen Prismen zur Erkennung von Reflexionsänderungen des Lichts durch jede Leiste oder jedes Tal) und thermische Scanner (messen Temperaturunterschiede über die Zeit zur Erstellung eines digitalen Bildes).

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Digitale Bildverarbeitung in Fingerabdruck-Identifikationssystemen

Die grundlegenden Schritte der digitalen Bildverarbeitung in der Fingerabdruckidentifikation umfassen das Erfassen, Speichern und Analysieren der Fingerabdruckdaten.

Der erste Schritt beinhaltet das Erfassen von Fingerabdruckbildern von verschiedenen Sensoren wie – optische oder kapazitive Sensoren. Das in dem optischen Scanner vorhandene CCD (Charge Coupled Device) besteht aus lichtempfindlichen Dioden, die elektrische Signale aussenden, wenn sie beleuchtet werden. Diese winzigen Punkte bilden, wenn sie einen Zielpunkt treffen, die Pixel, und ein Array von Pixeln bildet das Bild. Sobald der Finger auf dem Sensor platziert wird, wird das Bild durch Beleuchtung der Fingerleisten erfasst.

Der zweite Schritt umfasst das Speichern und Verarbeiten der Bilder mit den folgenden Schritten.

• Bildsegmentierung: Entfernen unerwünschter Merkmale aus dem erfassten Bild. Das Verfahren ist Schwellenwertbildung (Thresholding), wobei Pixel mit Intensität (Grauwert) über einem bestimmten Schwellenwert berücksichtigt werden, während Pixel mit geringerer Intensität entfernt oder gelöscht werden.
• Bildnormalisierung: Erzeugen eines einheitlichen Intensitätsmusters für das gesamte Bild, damit die Bildpixel in einem gewünschten Grauwertbereich liegen.
• Bildorientierung: Das Bild wird durch Berechnung der Orientierung an jedem Punkt gebildet. Die Orientierung wird durch Berechnung des Mittelwerts des zum Gradienten jedes Pixels in X- und Y-Richtung orthogonalen Vektors bestimmt.
• Bildfilterung: Entfernen unerwünschter Rauschen durch Techniken wie Gabor- oder Butterworth-Filter.
• Bildbinarisierung: Umwandlung des gefilterten Bildes in ein Binärbild mittels Schwellenwerttechnik zur Kontrastverbesserung. Es wird globales Thresholding verwendet: Pixelwerte über dem Schwellenwert werden auf 1 gesetzt, darunter auf 0.
• Bildverdünnung (Thinning): Erhalt der Verbindlichkeit der Leisten durch Entfernen von Vordergrundpixeln.

Der dritte Schritt umfasst die Analyse der Bilder durch Extraktion von Minutiendetails aus dem verarbeiteten Bild und Vergleich dieser Details mit denen der bereits gespeicherten Vorlagen. Dies wird erreicht, indem die Kreuzungszahl (halbe Summe der Differenzen) zwischen Pixelpaaren in einer achtfach verbundenen Nachbarschaft berechnet wird. Dies gibt eine eindeutige Identifikation für jedes Merkmal des Fingerabdrucks.

Fingerabdruckmodule

Zur Realisierung der Fingerabdruckidentifikation mit Mikrocontrollern können zwei Arten von Fingerabdruckmodulen verwendet werden – SM630 und R305.

Lassen Sie uns einen kurzen Überblick über beide erhalten.

a. R305

Abbildung 2: R305 Fingerabdruckscanner

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Es handelt sich um ein 4-Pin-Modul, kompatibel mit TTL (Transistor-Transistor-Logik), das über serielle UART-Kommunikation mit dem Mikrocontroller kommuniziert. Während der TD-Pin mit dem RXD-Pin des Mikrocontrollers verbunden wird, verbindet sich der RD-Pin mit dem TXD-Pin des Mikrocontrollers. Es unterstützt halbduplexe asynchrone serielle Kommunikation mit einer Standard-Baudrate von 57600 bps (akzeptable Baudrate zwischen 9600 und 115200 bps).

Der übertragene Frame ist ein 10-Bit-Frame mit einem Low-Level-Startbit, 8-Bit-Befehl oder Daten und einem Stoppbit. Nach dem Einschalten dauert die Initialisierung etwa 500 Millisekunden. Die Systemressourcen bestehen aus einem 512-Byte-Speicher als Notizblock und zwei 512-Byte-Zeichenpufferdateien.

b. SM630

Abbildung 3: SM630 Fingerabdruckscanner

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Es ist dem R305 hinsichtlich Pin-Konfiguration und Kommunikationstechnik ähnlich. Einzigartige Merkmale sind selbstentwickelter Fingerabdruckalgorithmus, selbstadaptiver Parameteranpassungsmechanismus, niedrige Kosten und Stromverbrauch, einfache Handhabung und tragbares integriertes Design. Es umfasst 768 Fingerabdruckvorlagen.

Hier verwenden wir den Sunrom R305-Fingerabdrucksensor, der an ein Interface-Board, Modell 1125, angeschlossen ist. Es verfügt über drei Tasten – ADD, EMPTY und SEARCH. Entweder können diese Tasten verwendet werden oder externe Befehle können vom Mikrocontroller an das Board gesendet werden.

In der folgenden Schaltung verbinden wir das Fingerabdrucksensor-Board mit dem 8051-Mikrocontroller AT89S51 über serielle Kommunikation. Das Ergebnis des Identifikationsprozesses wird auf dem LCD angezeigt.

Wird der ADD-Befehl vom Mikrocontroller gesendet, wird der Fingerabdruck in die Datenbank aufgenommen und die entsprechende ID an den Mikrocontroller zurückgesendet und auf dem LCD angezeigt. Im Fehlerfall wird ein Code (0xFF) gesendet und die Fehlermeldung auf dem LCD angezeigt.

Wird der EMPTY-Befehl gesendet, werden alle hinzugefügten Fingerabdrücke aus der Datenbank gelöscht. Antwortcode 0xCC zeigt erfolgreiche Ausführung an, 0xFF einen Fehler.

Wird der SEARCH-Befehl gesendet, wird die übereinstimmende ID zum Fingerabdruck als Antwortcode vom Mikrocontroller gesendet und die ID auf dem LCD angezeigt. Im Fehlerfall wird Antwortcode 0xFF zurückgesendet.

Anwendungen von Fingerabdruck-Identifikationssystemen

1. Tatort: Hauptanwendung des Fingerabdruck-Identifikationssystems ist die Identifizierung von an einem Verbrechen beteiligten Kriminellen. Eines der wichtigsten Beweise, die am Tatort gesucht werden, sind Fingerabdrücke auf gefundenen Gegenständen. Dies hilft, Täter anhand der Fingerabdrücke zu finden.
2. Organisationen: Diese Technik wird verwendet, um Mitglieder einer Organisation anhand ihrer eindeutigen Identifikationsnummer zu identifizieren. Dies stellt sicher, dass nur autorisierte Personen den gesicherten Bereich der Organisation betreten können und kein Eindringling. Sie erfasst auch die Anwesenheit des Einzelnen und die verbrachte Zeit.
3. Lebensmittelmärkte: Diese Technik hilft bei der Erkennung und Abrechnung einer bereits registrierten Benutzer-Kredit- oder Debitkarte.

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